Schede Cap.06

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IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
STORIA DELLA FISICA
Il diavoletto di Maxwell
Lo scienziato scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) non credeva al secondo
principio della termodinamica e alla sua asimmetria, così insolita rispetto alle
leggi della dinamica. Era convinto che la naturale tendenza al disordine, alla dispersione dell’energia, non fosse un principio e propose un esperimento ideale
per confutarlo.
Protagonista dell’esperimento il famoso diavoletto, un personaggio che fa le
A
B
veci di un congegno microscopico, capace di operare a livello delle particelle di
un gas. Il diavoletto è, per esempio, in grado di vedere gli atomi e di riconoscere Il diavoletto di Maxwell è in grado
i più veloci, così da poter guidare l’evoluzione nel tempo del gas e contravvenire di operare su scala atomica.
al secondo principio della termodinamica.
Maxwell immagina di inserire il suo diavoletto in un contenitore pieno di gas diviso in due parti A e B, riempite di
un gas identico e inizialmente alla stessa temperatura, da un setto privo di massa che può essere aperto e chiuso
a piacimento.
Il secondo principio non vale più
Quando il diavoletto vede un atomo dirigersi velocemente, per esempio, dalla
parte B alla parte A del contenitore, apre il passaggio, mentre lo tiene chiuso
finché vede atomi muoversi in direzione contraria. Dopo un po’ si misura un aumento di pressione nel contenitore A, che corrisponde a un accumulo di atomi
veloci da una parte del contenitore e quindi a un aumento dell’ordine nel sistema, senza alcuna spesa di energia.
Il diavoletto, con una semplice azione selettiva, produrrebbe una variazione di
temperatura tra due corpi senza alcuna spesa di energia, contravvenendo così al
secondo principio della termodinamica e dando ragione al suo ideatore. Tramite
A
B
la stessa azione selettiva sarebbe in grado di separare l’inchiostro dall’acqua o Il diavoletto di Maxwell fa ordine
nel sistema.
di far rientrare il profumo in una bottiglia aperta.
L’esperimento con il diavoletto di Maxwell è stato molto discusso, e tutti i tentativi di realizzare un dispositivo di questo tipo si sono scontrati immediatamente con una serie di
problemi che suggeriscono la validità del secondo principio
della termodinamica: un dispositivo in grado di rilevare le
particelle e di decidere quale azione intraprendere è, di fatto, un computer che richiede energia per funzionare.
Oggi le nanotecnologie potrebbero rendere il diavoletto
di Maxwell meno ideale di quanto non si immaginasse nel
1800: siamo in grado di costruire macchine minuscole, di Su progetto dell’Università di Bologna, nel 2006 è stato
dimensioni dell’ordine del nanometro, capaci di operare, costruito «Sunny», un nanomotore piccolissimo capace
quindi, su scala atomica. Tuttavia il secondo principio della di compiere 60 000 giri al minuto, alimentato a energia
termodinamica resta inattaccabile, perché anche una nano- solare.
macchina ha bisogno di energia per funzionare.
Immaginiamo poi che cosa complicata dovrebbe essere separare, all’interno di un gas, le particelle lente da quelle veloci, con quantità dell’ordine del numero di Avogadro. La nanomacchina dovrebbe essere in grado di distinguere le une
dalle altre, oltre che di selezionarle, e avrebbe bisogno di una struttura e di un’organizzazione che si ritiene impossibile
da raggiungere con pochi atomi. Le nanotecnologie rendono possibile qualcosa che all’epoca di Maxwell era solo immaginabile, tuttavia anche oggi l’Universo continua a scivolare verso il disordine, come accadeva 150 anni fa.
DOMANDA Di quanti atomi dovrebbe essere formato un diavoletto di Maxwell alto qualche nanomentro? Fai una
stima considerando che un atomo di idrogeno ha dimensioni dell’ordine di 10–10 m.
1
Vincenzo Balzani / Università di Bologna
È proprio così?
IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
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LETTERATURA
Le prime navi a vapore
A volte, la sera, dopo il tramonto del sole, nell’ora in cui la notte si unisce col mare e il crepuscolo agita con una specie
di terrore i flutti, si vedeva entrare nella piccola rada di Sant-Simpson, sul minaccioso ritmo dell’onde, una massa
informe, mostruosa, che fischiava e sputava una cosa orrenda, che rantolava come una bestia e fumava come un
vulcano, una specie d’idra che perdeva bava tra la schiuma, trascinava della nebbia, e si avventava nella direzione
della città con uno spaventoso batter di pinne e con fauci da cui scaturivano fiamme. Questa era la Durande.
(Victor Hugo, I lavoratori del mare, 1866)
Nel romanzo di Hugo la Durande è una
delle prime navi a vapore che, alla fine
degli anni Venti dell’Ottocento, collegava tra loro le isole della Manica.
In questo brano ci viene presentata a
tinte fosche, come un’idra informe che
rantola, fuma e sputa tra la schiuma del
mare. Un mostro terrificante e orrendo,
che entra nella rada fischiando e fiammeggiando, tra fumi e rumori di pale
che percuotono le onde. Tale, in effetti, doveva apparire una nave a vapore
La Ferdinando I, varata a Napoli nel 1818, fu la prima nave a vapore del
a chi, allora, era abituato alle silenziose
Mediterraneo.
ed eleganti navi a vela.
Nella finzione romanzesca la Durande viene soprannominata «Devil Boat», battello del diavolo, a testimonianza
di una reale ostilità che all’epoca aleggiava intorno alle innovative navi a vapore. Molti erano perplessi e dubbiosi
sull’uso delle nuove macchine, che andavano a inserirsi in un ambiente già tecnologicamente avanzato come
quello della navigazione a vela.
Archivio P. Berti
Battelli infernali
Le navi a vela erano infatti efficientissime, e i navigatori talmente esperti nella conoscenza dei venti che, per i tratti lunghi, erano
assai più affidabili e puntuali delle prime navi a vapore. Le rotte
oceaniche sfruttavano venti e correnti regolari ormai note e sicure,
che consentivano di effettuare grandi traversate in tempi relativamente ridotti. Inoltre le navi a vapore avevano bisogno di spazio per
trasportare il carbone e si dimostravano sconvenienti come battelli
commerciali, per i quali invece lo spazio è preferibilmente destinato
alle merci.
Il vapore si afferma
Allan Charles Green
L’efficienza della vela
Il Cutty Sark è un clipper inglese, varato 1869
per il trasporto del tè dall’Oriente.
Così come accadde alla Durande di Hugo, le navi a vapore con propulsione a pale si affermarono inizialmente
su tratte brevi, dove non occorrevano grandi riserve di carbone a bordo e la scarsa forza che il motore riusciva a
imprimere alle grandi pale non penalizzava troppo i tempi di percorrenza. In seguito i motori furono perfezionati
e fu introdotta la propulsione a elica, che consentì un impiego più ampio di queste navi. Inoltre, nel novembre del
1869 fu aperto il Canale di Suez, che eliminava il problema della circumnavigazione dell’Africa e consentiva alle
navi a vapore di spingersi fino all’Oceano Indiano, vincendo la concorrenza delle navi a vela.
DOMANDA Quali parole del brano di Hugo caratterizzano una nave a vapore rispetto a una nave a vela?
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IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
CON GLI OCCHI DI UN FISICO
L’automobile
Motori a combustione interna
Nella seconda metà del XVIII secolo, l’ingegnere militare francese Joseph-Nicolas Cugnot ricevette l’incarico
di progettare e realizzare un carro militare che si muovesse senza trazione animale, con un motore a vapore.
Dopo una serie di prototipi, il primo dei quali datato 1769,
vide la luce un veicolo a tre ruote, noto come «carro di
Cugnot», lungo oltre 7 metri e azionato da un motore di
50 000 cm3 di cilindrata, in grado di raggiungere la velocità di 4 km/h. Era sicuramente un’innovazione tecnologica importante, ma non era molto pratica, visto che ogni
15 minuti bisognava fermarsi per ravvivare il fuoco di alimentazione della grossa caldaia, sprovvista di serbatoio.
L’accensione del motore a vapore non era complicata, ma
richiedeva tempo. La caldaia andava portata alla giusta
temperatura per poter produrre il vapore ad alta pressione necessario a far muovere i pistoni, e ciò richiedeva un
preriscaldamento manuale. I ricchi possessori della prime
automobili avevano chi pensava a questa incombenza:
i loro autisti erano infatti anche i «fuochisti» (in francese chauffeur) che all’occorrenza preparavano la caldaia
portandola alla temperatura di funzionamento. Il termine
chauffeur è entrato talmente nell’uso che oggi è usato
come sinonimo di autista. Da quegli anni inventori di ogni
tipo lavorarono in ogni angolo del mondo ai progetti più
disparati, alle soluzioni più originali, nel tentativo di mettere a punto un motore che avesse sempre meno inconvenienti e prestazioni sempre più elevate.
Per tutto il XIX secolo la sperimentazione fu ricchissima:
furono ideati moltissimi tipi di motore, basati sui più svariati cicli termodinamici, e perfino motori elettrici. Questi
motori erano alimentati a gas, a petrolio, ad alcol, a benzina, oltre che ad acqua. Le automobili non avevano una
fisionomia propria e assomigliavano piuttosto a carrozze
dove al posto dei cavalli veniva usato un motore. Erano
per lo più prodotti artigianali, l’una diversa dall’altra, nella
ricerca di strategie sempre più efficienti e di motori sempre più veloci e pratici da usare. Verso la fine del secolo,
tuttavia, i tentativi cominciarono a convergere intorno
alle soluzioni più fortunate.
Una di esse segnò una vera svolta nella storia dell’automobile: nel 1876 l’ingegnere tedesco Nikolaus August Otto
sviluppò un motore a combustione interna a 4 tempi, alimentato a gas, destinato ad avere un immenso successo.
I moderni motori a benzina sono basati sullo stesso ciclo
termodinamico, composto da 4 fasi successive: il combustibile vaporizzato viene prima di tutto immesso nel cilindro e poi viene compresso in un volume più piccolo per
azione di un pistone; una scintilla ne provoca l’accensione
e in seguito alla combustione si scalda e si dilata rapidamente; successivamente il pistone preme sui gas combusti
facendoli fuoriuscire da un’apposita apertura.
Nello stesso anno fu ideato e costruito il primo motore a
due tempi, antenato dei motori usati nei moderni ciclomotori, e nel 1892 Rudolf Diesel brevettò il motore a combustione interna che porta il suo nome, ancora oggi molto
utilizzato, soprattutto nei mezzi pesanti. Alla fine del 1800
si stavano delineando i presupposti per la costruzione di
veicoli con una propria identità, del tutto nuovi rispetto ai
carri e ai carretti azionati a motore del primo periodo.
roby
Museo Enrico Bernardi Padova
Motori a vapore
Il carro di Cugnot è considerato il primo veicolo mosso da un
motore termico, precedendo di oltre un secolo la comparsa
delle automobili sulle strade.
PAROLA CHIAVE
Asimmetria
DOMANDA Sin dalla costruzione dei primi motori furono
adottate strategie per raffreddare gli organi meccanici.
Perché non è possibile utilizzare la quantità di calore
persa attraverso lo scarico e quella prelevata dalle parti
raffreddate per azionare nuovamente il motore senza ulteriore consumo di carburante? Spiega in 5 righe perché
questa soluzione manifesta un’asimmetria della natura.
3
Il 5 agosto 1882 l’italiano Enrico Bernardi brevettò la motrice
Pia, un carrozzino a tre ruote con motore a combustione
interna alimentato a benzina.
PAROLA CHIAVE
Entropia
DOMANDA A partire dal calore prodotto dalla combustione del carburante un motore è in grado di far compiere un moto ordinato a un’automobile. Che cosa accade all’entropia dell’Universo? Motiva la risposta in 5 righe.
IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
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DOMANDA Quale legge descrive la proprietà termometrica che ha permesso ai fratelli Mon-
Un importante collaudo
Il trionfo dell’automobile
Allan Charles Green
tgolfier di sbalordire il mondo con il loro pallone aerostatico? [parola-chiave associata: proprietà
La Motorwagen di Karl Benz è la prima automobile ufficiaLe automobili erano ancora beni di lusso, prodotte una
le della storia, la cui data di nascita viene fatta coincidere
alla volta, quando lo statunitense Henry Ford fabbricò
con il giorno in cui fu presentata la domanda per il suo brele prime vetture in serie nella sua Ford Motor Company.
vetto: il 29 gennaio 1886. Primo veicolo dotato di motore a
Il nuovo modello produttivo della catena di montaggio
combustione interna, era una via di mezzo tra una carrozpermise di costruire un’auto semplice e relativamente
za e un grosso triciclo e aveva una massa e un ingombro
economica, la Ford T, un’utilitaria di colore nero prodotta
decisamente inferiori a quelli delle sue coetanee vetture
in 15 milioni di pezzi dal 1908 al 1927.
termometriche]
a vapore. Oltre a ciò, la vettura di Benz aveva altre rivoluFurono gli anni d’oro dell’automobile: in tutto il mondo
zionarie dotazioni, quali un sistema di raffreddamento ad
aprivano piccole e grandi case costruttrici, che nel comacqua, un telaio a tubi d’acciaio, un motorino di avviamenplesso proponevano alla clientela una vasta gamma di
to elettrico e un carburatore che vaporizzava la benzina.
modelli di auto di tutti i tipi, ancora non assestati sullo
Nella Motorwagen la famiglia Benz aveva investito risorse
standard omogeneo al quale siamo abituati oggi. Ecco
e speranze, ma il veicolo non sembrava riscuotere il sucperché alcune case riuscivano a emergere sulle altre, gracesso desiderato: le sue potenzialità sembravano perdersi
zie a tecnologie originali e carrozzerie eleganti. In questo
DOMANDA
Il volume
occupato
da un gas in
una trasformazione
a pressione
costante è direttatra i numerosi
prototipi
della concorrenza.
Finché
non insi distinse
particolarmente
l’Italia con nomi quali Bertone,
tervenne Bertha Benz, la moglie di Karl, che si fece proGhia, Pininfarina, Zagato e molti altri, creatori di linee aptagonista di una sorprendente impresa, attirando l’attenprezzate in tutto il mondo.
zione di un numeroso pubblico. Con la scusa di andare a
Dai primi del Novecento, infatti, le automobili cominciatrovare la madre insieme a due figli di 13 e 15 anni, la donna
rono ad assomigliare sempre meno alle carrozze e nacprese la vettura senza informare il marito e senza il perque l’esigenza di dotarle di carrozzerie originali: la produmesso delle autorità, e percorse gli oltre 100 km che la sezione si differenziò e, accanto alle case automobilistiche,
paravano
dall’abitazione
Nessuno aveva
nacquero
delleaffermazione
vere e proprie
Per esempio,
mente
proporzionale
allamaterna.
sua temperatura.
Spiegamai
in 5fatrighe perché
questa
noncarrozzerie.
è
to un viaggio così lungo a bordo di un mezzo a motore, e
la Ford T era stata «vestita» con successo dalla carrozzepossiamo immaginare le difficoltà incontrate nel reperire il
ria francese Torpedo, chiusa sui fianchi. Lo sviluppo della
carburante (una benzina allora in vendita nelle farmacie) e
carrozzeria andò nella direzione di telai sempre più conel trovare soluzioni agli inevitabili piccoli guasti meccanici
perti, fino ad arrivare alle berline dei nostri giorni.
occorsi durante il tragitto. Bertha impiegò un intero giorno
per raggiungere la destinazione e altrettanto per tornare
Un celebre
indietro: la Motorwagen aveva dunque guadagnato, oltre
manifesto
corretta.
associata:
pubblicitario
che una [parola-chiave
proficua pubblicità,
anchetemperatura]
un importante collaufirmato da
do. Le migliorie apportate in seguito dovettero molto all’eMarcello
sperienza acquisita durante quel lungo viaggio.
Dudovich
reclamizza la
Con il
Fiat Balilla,
brevetto
prima auto di
numero
massa italiana,
37435 del è in equilibrio
DOMANDA Il pallone aerostatico dei fratelli Montgolfier
meccanico alla quota di
prodotta negli
29 gennaio
stabilimenti di
1886 la
Torino negli anni
Motorwagen Trenta.
di Karl
Benz è
considerata
la prima
automobile
250 m rispetto al suolo: essa non si muove né in verticale
né in orizzontale. È verificato l’equilibrio
della storia.
PAROLA CHIAVE
Macchine termiche
DOMANDA Perché l’attrito degli organi meccanici di un’automobile riduce il rendimento effettivo del motore?
termico con l’ambiente? Motiva la risposta. [parola-chiave associata: equilibrio termico]
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